Digitale informatie is makkelijker en sneller bereikbaar dan ooit. Ben je op zoek naar een goed restaurant in Eindhoven, dan heeft Google je al van tips voorzien voordat je de letter ’n’ hebt ingetikt (en intussen zijn de culinaire gelegenheden nabij de Eiffeltoren al langsgekomen). Maar dat gaat natuurlijk niet vanzelf. Hoewel je bij het internet niet snel denkt aan een zware industriële activiteit, gaat achter digitale diensten als Google, Facebook en Twitter een energieverslindende infrastructuur verborgen.

Om elke zoekopdracht, post en tweet razendsnel te verwerken, en om de enorme hoeveelheid data ‘in de cloud’ op te slaan en van back-ups te voorzien, laten bedrijven als Google, Facebook en Apple enorme datacentra met meer dan honderdduizend servers bouwen. Deze zogeheten ‘warehouse-scale computers’ -letterlijk zo groot als pakhuizen- zijn inmiddels goed voor zo’n anderhalf procent van de wereldwijde energieconsumptie. Een flink deel daarvan komt voor rekening van het koelen van de elektronica; niet voor niets lieten Facebook en Google onlangs datacentra bouwen in Zweden en Finland - landen met een koel klimaat.

Het managen van de groeiende datastromen, het liefst zo energiezuinig mogelijk, is dan ook een grote uitdaging voor deze digitale fabrieken. Elke potentiële verbetering is welkom. Omdat veel datastromen binnen de datacentra al volledig ‘optisch’ zijn (de digitale informatie wordt in de vorm van lichtpulsjes door glasvezels vervoerd), ligt het volgens Stefano Di Lucente voor de hand om ook gebruik te maken van optische schakelaars (zie kader). De huidige elektronische schakelaars vereisen dat de lichtsignalen bij elk schakelpunt worden omgezet naar elektrische stroompjes, legt de Italiaan uit. “Het converteren van de optische datapakketjes naar elektronische signalen -en weer terug- kost veel tijd en energie en dat maakt de huidige datacentra inefficiënt.”

Optisch schakelen kan per
datacentrum jaarlijks meer
dan tien miljoen euro opleveren

De schakelaars nemen maar een klein deel van het totale energieverbruik voor hun rekening, maar door de omvang van de datacentra zou het omzeilen van deze conversiestap toch veel opleveren. Naar schatting jaarlijks zelfs meer dan tien miljoen euro per mega-datacentrum. De moeite waard dus om serieus te overwegen, zelfs al staat de ontwikkeling van optische schakelaars nog in de kinderschoenen en zijn ze daardoor betrekkelijk duur. “De schakelaars vormen nu de bottleneck van het systeem”, legt Di Lucente uit, “dus daar is echt nog winst te behalen.”

De Italiaanse promovendus bekeek voornamelijk hoe optische schakelaars kunnen worden ingepast in de huidige architectuur van datacentra. Hij stelt voor om te kiezen voor een ‘plattere’ organisatiestructuur waarin de huidige lagen met elektronische schakelaars worden vervangen door een enkele optische schakelaar met duizenden in- en uitgangen. Snelle optische schakelaars van die grootte bestaan nog niet, maar zijn beslist haalbaar, denkt Di Lucente. Een belangrijk voordeel van optische communicatie is namelijk dat een enkele glasvezel tegelijkertijd datapakketjes met een verschillende golflengte kan transporteren; de verschillend ‘gekleurde’ pakketjes zitten elkaar op geen enkele manier in de weg. Er zijn daardoor veel minder fysieke verbindingen nodig om tot hetzelfde aantal datakanalen te komen. “Er bestaan optische schakelaars met 32 glasvezelingangen die elk 32 optische kanalen aankunnen.” Dat komt dus al overeen met een duizendtal elektronische verbindingen.

Grootste struikelblok leek
het ontbreken van
optische geheugens

Het voornaamste struikelblok leek het ontbreken van optische geheugens. In elke schakelaar worden binnenkomende datapakketjes regelmatig ‘in de wacht’ gezet, tot is besloten naar welke server de informatie wordt gestuurd. De wachtende data wordt dan tijdelijk in een geheugen opgeslagen. Maar als het volledige pakketje hiervoor moet worden omgezet naar het elektronische domein, doet dat het hele voordeel van optisch schakelen teniet.

Het werk van Di Lucente toont gelukkig aan dat dit probleem vermeden kan worden. In zijn ontwerp worden de datapakketjes pas via de glasvezel naar de schakelaar gestuurd als daar daadwerkelijk plek is. Tot die tijd worden ze in elektronische vorm opgeslagen aan de randen van het netwerk (bovenop de serverrekken). Om opstoppingen zoveel mogelijk te voorkomen, worden pakketjes ter plekke van de ene kleur in de andere omgezet als een kanaal al bezet is door een bepaalde kleur. Slechts één strikt noodzakelijke elektronische omzetting vindt nog plaats: die van het adreslabel van het datapakketje. Het overgrote deel van de bytes blijft gewoon vastgelegd in de vorm van een lichtsignaal.

De Italiaan simuleerde de aansturing van de optische schakelaar eerst op de computer, waarna hij in het lab van de groep Electro-Optical Communications (ECO) met praktijktests aan de slag kon. Hiervoor gebruikte hij een door collega-promovendus Abhinav Rohit gebouwde geïntegreerde optische schakelaar. “Die had slechts vier in- en uitgangen”, zegt Di Lucente, “maar dat is geen probleem omdat ik een modulair systeem heb ontworpen.” De resultaten van de laboratoriumtests zijn daardoor ook relevant voor grotere schakelaars die zijn opgebouwd uit deze modules.

Het werk van Di Lucente vormt het sluitstuk van het Vici-project van zijn promotor prof.dr. Harm Dorren. Het onderzoek naar toepassing optische netwerken in datacentra krijgt echter een vervolg in twee Europese projecten, LIGHTNESS en COSIGN, waarin de groep van Dorren een prominente rol speelt. “In die projecten is ook aandacht voor andere aspecten van optisch schakelen in datacentra, zoals voor softwarematige verbeteringen”, vertelt Dorren.

“Binnen mijn Vici-project hebben we ook gekeken naar optische data-opslag. Dat blijkt technologisch echter erg lastig. Een belangrijke conclusie is dan ook dat het praktischer is om die ambitie te laten varen. Uit het werk van Stefano blijkt namelijk dat je het systeem ook veel efficiënter kunt maken door de data elektronisch in buffers aan de randen van het netwerk op te slaan. Uiteindelijk gaat het er natuurlijk niet om dat alles optisch moet, maar dat je grote en variabele datastromen aankunt. Dat is het doel.”